Gleiches Recht für alle Wellenlängen

Die Idee von flachen, optischen Komponenten geht zurück auf Augustin Fresnel. Was damals, Anfang des 19. Jahrhunderts, Anwendung in Leuchttürmen fand, ermöglicht heute die Miniaturisierung optischer Geräte. Komponenten auf Basis diffraktiver Optik sind kleiner, leichter und darüber hinaus auch einfacher herzustellen als ihre lichtbrechenden Pendants. Dank der Fortschritte in der Herstellung von Nanostrukturen ist mittlerweile jedoch eine völlig neue Art von flacher Optik auf dem Vormarsch: Metaoberflächen nutzen winzige Resonatoren, um die Phase der Strahlung zu kontrollieren und so Wellenfronten quasi nach Belieben zu gestalten. Aufgrund chromatischer Aberration waren solche Systeme bislang jedoch auf eine einzige Wellenlänge beschränkt. Einer Forschergruppe unter der Leitung von Federico Capasso von der Harvard University ist es nun gelungen, diese Schwachstelle auszugleichen. Das Team konnte eine Oberfläche erzeugen, die verschiedene Wellenlängen unter ein und demselben Winkel ablenkt – und hat so möglicherweise den Weg zur Herstellung der perfekten, flachen Linse geebnet.

Capasso gilt als einer der führenden Experten für optische Metaoberflächen. Bereits 2011 sorgte seine Forschergruppe für Aufsehen, als es ihr, an einer ebenen Grenzfläche einen schraubenförmig verdrehten Lichtstrahl zu erzeugen. Damals benutzten die Wissenschaftler v-förmige Nanostrukturen aus Gold, die sie regelmäßig in einem speziellen Muster auf einem Siliziumsubstrat anordneten. Unter Bestrahlung wirkten die Strukturen wie Nanoantennen, die die Phase des einfallenden Lichts unterschiedlich verzögerten und so die gewünschte Wellenfront erzeugten.

Während dieses Experiment noch als reine Machbarkeitsstudie gedacht war, folgte bereits im Jahr darauf der erste Schritt in Richtung einer konkreten Anwendung. Mit einem ähnlichen System aus v-förmigen Nanoantennen auf einem dünnen, flachen Siliziumwafer konnte das Team eine nahezu perfekte Linse realisieren – nahe am Abbelimit und ohne sphärische Aberration. Allerdings funktionierte das System nur für eine Wellenlänge von 1,55 Mikrometern.

Dieser Beschränkung optischer Metaoberflächen auf eine bestimmte Wellenlänge steht im Mittelpunkt der neuesten Arbeit der Forscher. Dazu wechselten sie von v-förmigen Goldstrukturen auf quaderförmige Siliziumstreifen. Um diese zu erzeugen, lagerten sie zunächst über chemische Gasphasenabscheidung eine 400 Nanometer dicke Schicht Silizium auf einem SiO₂-Substrat ab und schnitten dann mittels Elektronenstrahl-Lithografie die gewünschte Struktur aus. „Obwohl die neuen, dielektrischen Resonatoren etwas dicker sind als die früher verwendeten, metallischen Antennen, sind sie immer noch schmäler als die Wellenlänge“, sagt Francesco Aieta, Hauptautor der aktuellen Studie. „Das Wichtigste ist jedoch, dass sie ein dichtes Spektrum an Resonanzen aufweisen. Das erlaubt eine nahezu unabhängige Optimierung der Phasenverschiebung für verschiedene Wellenlängen.“

Um eine senkrecht zur Oberfläche einfallende Welle unter einem gewissen Winkel abzulenken, muss sich die Phasenverschiebung entlang der Oberfläche linear modulo 2π ändern. Soll das, wie im vorliegenden Fall, für drei unterschiedliche Wellenlängen unabhängig voneinander und unter dem gleichen Winkel geschehen, ergibt sich eine höchst komplexe Anforderung an die einzelnen Resonatoren. Aieta uns seine Kollegen lösen dieses Problem, indem sie Resonatoren unterschiedlicher Breite parallel in verschiedenen Abständen zueinander anordnen. Dabei bilden jeweils zwei Resonatoren eine Einheitszelle. Jede dieser Zellen hat zwar die gleiche Breite, ihre inneren Strukturen unterscheiden sich jedoch. Als Ganzes betrachtet ergibt sich so eine völlig aperiodische, binäre Struktur.

Die Feldverteilung einer einzelnen solchen Einheitszelle im Fernfeld ergibt sich aus zwei Beiträgen: jenes Licht, das durch den Spalt zwischen den Resonatoren dringt und jenes, das an den gekoppelten Resonatoren gestreut wird. Mit Hilfe von Simulationen auf Basis der Finite-Differenzen-Methode optimierten die Forscher jede Zelle auf die gewünschte Phasenverschiebung und eine annähernd gleiche Amplitude für alle drei Wellenlängen. Eine abschließende Simulation der gesamten Struktur bestätigte die Tauglichkeit des ermittelten Designs.

Die experimentelle Überprüfung des errechneten Ergebnisses erfüllte exakt die Erwartungen: Jede der drei Basiswellenlängen von 1300, 1550 und 1800 Nanometern wurde unter dem vorhergesagten Winkel von 17 Grad gebeugt. „Durch die passende Anordnung der einzelnen Elemente der Metaoberfläche konnten wir die chromatische Aberration kompensieren“, sagt Capasso, und betont, dass dafür ausschließlich kommerziell verfügbare Standardtechnologie auf Basis von Silizium zum Einsatz kam.

Bei Wellenlängen zwischen den Basiswerten wichen die Beugungswinkel allerdings noch um bis zu zwei Grad ab. Da die Forscher ihre Methode, zumindest in der Simulation, auf fünf verschiedene Basiswellenlängen erweitern konnten, sind sie jedoch zuversichtlich, in Zukunft auch breitbandige Anwendungen realisieren zu können. Darüber hinaus präsentieren sie auf Basis desselben Konzepts ein Design für eine flache, achromatische Linse. Selbst für nur drei Wellenlängen wäre das ein beachtlicher Fortschritt. Theoretisch könnte sie in Form eines hauchdünnen Siliziumplättchens realisiert werden, während ihr lichtbrechendes Gegenstück aus drei massiven Linsen besteht.

Thomas Brandstetter

RK